85zn15al焊丝铝钢焊接性能研究
研究了85Zn-15Al钎料的铺展性能、钎焊接头力学性能和断裂机理。发现提高温度和增加保温时间，钎料的铺展铺展面积增大，润湿角减小，铺展性能有所提高。85Zn-15Al钎料焊接的不同实验温度中，其最佳工艺温度为520℃左右，铝/钢接头成型良好。同时，接头力学性能实验表明，85Zn-15Al钎料钎焊3003铝合金/Q235A碳素结构钢接头力学性能较佳，强度约为134MPa左右。钎料中铝的质量分数为15％并且钎缝中铝基作为强化相质量分数较高，对接头力学性能起到重要的作用。揭示了3003铝合金/Q235A碳素结构钢钎焊接头的断裂机理，从显微组织对比中发现，界面化合物层的适当控制对接头的抗剪强度有着一定的影响。综合考虑85Zn-15Al钎料的各种性能，85Zn-15Al钎料的焊接性能优良，抗剪强度较高。
关键词 铝/钢钎焊，85Zn-15Al钎料，铺展性能，力学性能，显微组织
目录
1 引言 1
1.1 铝/钢焊接的研究现状及发展趋势 1
1.2 铝/钢常规异种材料焊接方法 2
1.3 铝/钢钎焊焊接方法 3
1.4 本课题的研究内容及意义 4
2 研究方法及实验过程 4
2.1 研究的流程图 5
2.2 钎料合金的选择与制备 5
2.3 钎料铺展性能实验 7
2.4 炉中钎焊 8
2.5 焊接接头力学性能测试方法 10
2.6 显微组织分析 10
3 实验结果与分析 12
3.1 85Zn-15Al钎料显微组织分析 12
3.2 85Zn-15Al钎料在3003铝合金表面铺展性能的影响 13
3.3 85 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
Zn-15Al钎料钎焊铝/钢工艺性能的分析 16
3.4 85Zn-15Al钎料钎焊铝/钢接头力学性能的影响 16
3.5 85Zn-15Al钎料钎焊铝/钢接头钎焊接头显微组织 17
结 论 20
致 谢 21
参 考 文 献 22
1 引言
近年来，随着汽车及机械零部件对轻量化要求的提高，铝/钢焊接技术应用范围越来越广泛。铝及铝合金凭借优良的加工性及低成本等特性深受机械行业的欢迎。然而，钢具有更高的强度和焊接性能。因此在实际生产中铝/钢焊接既具有铝的比重小，导电性好和耐腐蚀性好等优点，同时又具备钢的强度高特性，具有很高的实用价值[ 1]。基于铝和钢焊接的显著优势，铝/钢焊接一直是焊接行业的热点研究对象。然而，众所周知， Fe与Al的晶体结构，物理及化学性质相差巨大，造成铝及铝合金与低碳钢、不锈钢的焊接性不尽人意，集中体现在:Al有较强的化学活性，材料表面极易形成稳定而致密的氧化膜， 同时焊接过程中因氧化造成接头内产生夹杂物，破坏了接头的连续性和整体性;连接界面易生成脆性的金属间化合物，造成接头出现严重脆化现象[ 2]，物理性能相差大，易引发较大的焊接应力。本文主要研究85Zn-15Al钎料铝/钢钎焊接头断裂机理，为了更好的让铝/钢焊接工艺在工业应用中提供一些理论与指导。
1.1 铝/钢焊接的研究现状及发展趋势
铝合金凭其比强度大、比刚度高、重量轻、耐腐蚀等一系列特性，其应用领域正在不断扩大[ 3]。但与钢相比，铝及铝合金价格较高，焊接性较差。因此，实现铝及铝合金与钢的可靠焊接， 特别是与低碳钢、不锈钢的焊接具有十分重要的现实意义。根据焊接时金属材料所处的状态不同，对铝/钢连接方法可以分为熔化焊，压焊和钎焊。由于铝和钢物化性能的差异，用常规熔焊很难得到满意的焊接接头。目前对铝/钢连焊接方法最多的是集中在压焊[ 4](如图1.1)方面，其中压焊包括：扩散焊、摩擦焊和搅拌摩擦焊等多种常规焊接方法。在钎焊方面也进行了一定的探索性研究工作。
图1.1 钢格栅板
1.2 铝/钢常规异种材料焊接方法
1.2.1 熔化焊
由于铝合金和钢的热导率，线膨胀系数相差很大，焊接过程有较大应力且易产生裂纹，而且这两种金属在热的作用下，易生成Fe-Al脆性金属间化合物。因此焊接性较差尤其熔化焊[5]。长春工程学院张志军将铝和钢用激光焊接的方法进行焊接，观察焊接区域的显微组织，并分析其形成机理，其结果表明：两种金属都含有对方的元素。激光焊接能得到更为细小，均匀的组织成分。
1.2.2 扩散焊
在一定温度和压力下，通过原子界面原子间相互扩散形成接头，扩散焊是实现两种金属焊接的一种有效手段。为了防止加热过程中的再次氧化和避免铝/钢扩散焊接过程中产生的金属间化合物从而恶化接头性能[6]，应通过添加中间层来阻止铝铁之间的相互扩散及产生金属间化合物。国外航天器、制氧机常常要求把铝合金与钢或钛连接在一起，采用扩散连接形成过渡铝和钢扩散焊接技[6]。
1.2.3 摩擦焊
通过在待焊材料之间摩擦，产生热量，在顶锻力的作用下使材料发生塑性变形与流动，进而连接母材。典型摩擦焊接工艺有连续驱动摩擦焊与惯性摩擦焊等。摩擦焊接时，表面的氧化膜、部分金属间化合物层挤出焊缝区，并产生较大的变形形成接头。铝和钢的摩擦焊接时可通过添加中间层的方式提高接头的效率[7]，也可直接进行摩擦焊接。
1.2.4 搅拌摩擦焊
通过高速旋转的搅拌头插入工件，并沿焊接方向运动，利用搅拌头探针和轴肩与工件的摩擦热使金属发生软化，软化后的金属发生塑性流动，两块板搅拌混合，依靠搅拌和重结晶作用，使之融为一体实现材料焊接的固相焊接方法[8]。采用搅拌摩擦焊接铝和钢，由于焊接温度较低，冷却速度快，能够很好地抑制金属间化合物的生成。能很好地提高焊接接头的强度。
1.2.5电子束焊
电子束焊接的基本原理是电子枪中的阴极由于直接或间接加热而发射电子，该电子在高压静电场的加速下再通过电磁场的聚焦就可以形成能量密度极高的电子束，用此电子束去轰击工件，巨大的动能转化为热能，使焊接处工件熔化，形成熔池，从而实现对工件的焊接。电子束焊接具有不用焊条、不易氧化、工艺重复性好及热变形量小的优点。在当今时代，电子束焊接术的每一个进步的积累,使人类的航空制造技术更加的完善。电子束技术的高稳定和高强度的特性使飞行器有了更加先进科学和结构精密的设计[ 9]。如今存在的重要的技术实际上是在减少分解，加热，和残余应力的同时来减少氢脆变，限制氧气和氢污染物。电子束焊接技术作为焊接整合领域的重要技术，如今已经越来越深地影响到航空飞行器的制造和设计领域。这其中重要的原因是它有着先进的自动焊缝跟踪，射束偏转，多溶池焊接。
1.2.6电阻电焊
电阻点焊，简称点焊。是将被焊工件压紧于两极之间，并通过电流利用电流流经工件接触面及相邻区域产生的电阻将其加热到熔化或塑性状态，使之形成金属结合的一种方法。它适用于制造接头不要求气密，焊件装配成搭接接头，厚度小于3mm。冲压，轧制的薄板搭接接头，广泛应用于汽车，航天航空，家具等行业产品的生产。
(1) 先用电炉熔炼钎料，先将称量好的锌、铝原料放入坩埚中，再在坩埚内放入钎剂，然后再将坩埚放入电炉内进行熔炼。再用扫描隧道显微镜对钎料的组织进行分析。
表2.2实验所用的材料
原料
纯度（wt.%)
锌锭
99.95
名称
参数
工作尺寸
300×200×120mm
额定温度
500℃
1 引言 1
1.1 铝/钢焊接的研究现状及发展趋势 1
1.2 铝/钢常规异种材料焊接方法 2
1.3 铝/钢钎焊焊接方法 3
1.4 本课题的研究内容及意义 4
2 研究方法及实验过程 4
2.1 研究的流程图 5
2.2 钎料合金的选择与制备 5
2.3 钎料铺展性能实验 7
2.4 炉中钎焊 8
2.5 焊接接头力学性能测试方法 10
2.6 显微组织分析 10
3 实验结果与分析 12
3.1 85Zn-15Al钎料显微组织分析 12
3.2 85Zn-15Al钎料在3003铝合金表面铺展性能的影响 13
3.3 85 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
Zn-15Al钎料钎焊铝/钢工艺性能的分析 16
3.4 85Zn-15Al钎料钎焊铝/钢接头力学性能的影响 16
3.5 85Zn-15Al钎料钎焊铝/钢接头钎焊接头显微组织 17
结 论 20
致 谢 21
参 考 文 献 22
1 引言
近年来，随着汽车及机械零部件对轻量化要求的提高，铝/钢焊接技术应用范围越来越广泛。铝及铝合金凭借优良的加工性及低成本等特性深受机械行业的欢迎。然而，钢具有更高的强度和焊接性能。因此在实际生产中铝/钢焊接既具有铝的比重小，导电性好和耐腐蚀性好等优点，同时又具备钢的强度高特性，具有很高的实用价值[ 1]。基于铝和钢焊接的显著优势，铝/钢焊接一直是焊接行业的热点研究对象。然而，众所周知， Fe与Al的晶体结构，物理及化学性质相差巨大，造成铝及铝合金与低碳钢、不锈钢的焊接性不尽人意，集中体现在:Al有较强的化学活性，材料表面极易形成稳定而致密的氧化膜， 同时焊接过程中因氧化造成接头内产生夹杂物，破坏了接头的连续性和整体性;连接界面易生成脆性的金属间化合物，造成接头出现严重脆化现象[ 2]，物理性能相差大，易引发较大的焊接应力。本文主要研究85Zn-15Al钎料铝/钢钎焊接头断裂机理，为了更好的让铝/钢焊接工艺在工业应用中提供一些理论与指导。
1.1 铝/钢焊接的研究现状及发展趋势
铝合金凭其比强度大、比刚度高、重量轻、耐腐蚀等一系列特性，其应用领域正在不断扩大[ 3]。但与钢相比，铝及铝合金价格较高，焊接性较差。因此，实现铝及铝合金与钢的可靠焊接， 特别是与低碳钢、不锈钢的焊接具有十分重要的现实意义。根据焊接时金属材料所处的状态不同，对铝/钢连接方法可以分为熔化焊，压焊和钎焊。由于铝和钢物化性能的差异，用常规熔焊很难得到满意的焊接接头。目前对铝/钢连焊接方法最多的是集中在压焊[ 4](如图1.1)方面，其中压焊包括：扩散焊、摩擦焊和搅拌摩擦焊等多种常规焊接方法。在钎焊方面也进行了一定的探索性研究工作。
图1.1 钢格栅板
1.2 铝/钢常规异种材料焊接方法
1.2.1 熔化焊
由于铝合金和钢的热导率，线膨胀系数相差很大，焊接过程有较大应力且易产生裂纹，而且这两种金属在热的作用下，易生成Fe-Al脆性金属间化合物。因此焊接性较差尤其熔化焊[5]。长春工程学院张志军将铝和钢用激光焊接的方法进行焊接，观察焊接区域的显微组织，并分析其形成机理，其结果表明：两种金属都含有对方的元素。激光焊接能得到更为细小，均匀的组织成分。
1.2.2 扩散焊
在一定温度和压力下，通过原子界面原子间相互扩散形成接头，扩散焊是实现两种金属焊接的一种有效手段。为了防止加热过程中的再次氧化和避免铝/钢扩散焊接过程中产生的金属间化合物从而恶化接头性能[6]，应通过添加中间层来阻止铝铁之间的相互扩散及产生金属间化合物。国外航天器、制氧机常常要求把铝合金与钢或钛连接在一起，采用扩散连接形成过渡铝和钢扩散焊接技[6]。
1.2.3 摩擦焊
通过在待焊材料之间摩擦，产生热量，在顶锻力的作用下使材料发生塑性变形与流动，进而连接母材。典型摩擦焊接工艺有连续驱动摩擦焊与惯性摩擦焊等。摩擦焊接时，表面的氧化膜、部分金属间化合物层挤出焊缝区，并产生较大的变形形成接头。铝和钢的摩擦焊接时可通过添加中间层的方式提高接头的效率[7]，也可直接进行摩擦焊接。
1.2.4 搅拌摩擦焊
通过高速旋转的搅拌头插入工件，并沿焊接方向运动，利用搅拌头探针和轴肩与工件的摩擦热使金属发生软化，软化后的金属发生塑性流动，两块板搅拌混合，依靠搅拌和重结晶作用，使之融为一体实现材料焊接的固相焊接方法[8]。采用搅拌摩擦焊接铝和钢，由于焊接温度较低，冷却速度快，能够很好地抑制金属间化合物的生成。能很好地提高焊接接头的强度。
1.2.5电子束焊
电子束焊接的基本原理是电子枪中的阴极由于直接或间接加热而发射电子，该电子在高压静电场的加速下再通过电磁场的聚焦就可以形成能量密度极高的电子束，用此电子束去轰击工件，巨大的动能转化为热能，使焊接处工件熔化，形成熔池，从而实现对工件的焊接。电子束焊接具有不用焊条、不易氧化、工艺重复性好及热变形量小的优点。在当今时代，电子束焊接术的每一个进步的积累,使人类的航空制造技术更加的完善。电子束技术的高稳定和高强度的特性使飞行器有了更加先进科学和结构精密的设计[ 9]。如今存在的重要的技术实际上是在减少分解，加热，和残余应力的同时来减少氢脆变，限制氧气和氢污染物。电子束焊接技术作为焊接整合领域的重要技术，如今已经越来越深地影响到航空飞行器的制造和设计领域。这其中重要的原因是它有着先进的自动焊缝跟踪，射束偏转，多溶池焊接。
1.2.6电阻电焊
电阻点焊，简称点焊。是将被焊工件压紧于两极之间，并通过电流利用电流流经工件接触面及相邻区域产生的电阻将其加热到熔化或塑性状态，使之形成金属结合的一种方法。它适用于制造接头不要求气密，焊件装配成搭接接头，厚度小于3mm。冲压，轧制的薄板搭接接头，广泛应用于汽车，航天航空，家具等行业产品的生产。
(1) 先用电炉熔炼钎料，先将称量好的锌、铝原料放入坩埚中，再在坩埚内放入钎剂，然后再将坩埚放入电炉内进行熔炼。再用扫描隧道显微镜对钎料的组织进行分析。
表2.2实验所用的材料
原料
纯度（wt.%)
锌锭
99.95
名称
参数
工作尺寸
300×200×120mm
额定温度
500℃
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